​【Prog.Mater.Sci】二维抗菌材料|下

二维抗菌材料
Progress in Materials Science ( IF 48.165 ) 

Pub Date : 2022-06-13

DOI: 10.1016/j.pmatsci.2022.100976

4 . 协同抗菌活性

4.1.功能化靶向协同

靶向治疗因其准确的细菌杀灭、高选择性和对正常组织的低毒作用，一直是抗菌药物领域的研究热点[288]、[289]。因此，建立多模式靶向治疗平台是治疗细菌感染的一种有前景的策略[290]，[291]。

例如，1,2-二硬脂酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇氨基-[氨基（聚乙二醇-NH2）]的十七烷基端基被用于与GO疏水相互作用以获得GO-PEG-NH2[292].GO-PEG-NH2是一种具有选择性识别、细菌捕获和光热特性的多功能抗菌系统。由于细菌的细胞壁由肽聚糖和酸性多糖组成，细胞膜表面带负电荷。然而，正常组织的细胞膜几乎是中性的。因此，GO-PEG-NH2的氨基官能团通过静电吸附与带负电的细菌膜结合。PEG链的存在也减少了细胞表面蛋白的非特异性吸附。此外，通过利用GO的光热特性，该系统在近红外光照射下迅速产生局部高温来灭活细菌[293]。

在另一项研究中，将硼酸(BA)、羧化石墨烯(CG)和季铵盐(QAS)结合起来开发了一种双靶向抗菌平台(B-CG-QAS)（图35a）[294]。

一方面，由于细菌细胞壁上的阴离子磷脂含量高，细菌生物膜胞外聚合物(EPS)中的多糖和蛋白质上的负电荷基团，细菌及其生物膜都具有负表面电荷。另一方面，革兰氏阴性菌的细胞壁和生物膜基质富含多糖，多糖与BA共价结合形成环状硼酸酯。因此，带正电荷的B-CG-QAS通过静电和疏水相互作用与细菌细胞表面发生反应，从而改变细胞膜表面的分子结构，增加细胞膜的通透性，最终导致细胞质扩散和细胞裂解。(图35b）。

此外，QAS损伤细菌细胞膜，导致细胞内成分泄漏，增加细菌细胞对热的通透性和敏感性。最后，该平台在近红外光照射下表现出良好的光热效应，照射10分钟后系统温度升至51.2℃（图35c、d）。诱导的高温不可逆地抑制细菌细胞内反应并破坏细菌结构（图35e）。

图35。(a)B-CG-QAS的抗菌机制示意图。(b)CG、B-CG、CG-QAS和B-CG-QAS的Zeta电位。(c)CG、B-CG、CG-QAS和B-CG-QAS的UV-Vis-NIR光谱。(d)不同浓度(0.05-0.5mg·mL-1)的B-CG-QAS在0.5W·cm-2808nmNIR照射下的温度演化曲线(e)MDRAb与PBS孵育后的代表性SEM图像、CG、B-CG、CG-QAS和B-CG-QAS[294]。

受细菌微环境和正常组织的pH值略有不同这一现象的启发，Qian等人设计了乙二醇壳聚糖(GCS)-共轭羧基石墨烯(CG)(GCS-CG)的pH触发系统（图36a-c）[295]。该系统具有明显的区分和靶向微环境pH值细微变化的能力，从而实现细菌靶向（pH=6.3），并在不破坏周围健康组织（pH=7.4）的情况下集中聚集（图36d，e）。对GCS进行修改后，系统在近红外范围内的吸收强度增加。在病灶pH值的影响下，体系中的表面电荷逐渐由负转正。GCS-CG与带负电荷的细菌表面有很强的相互作用，而健康组织没有被靶向。此外，近红外光照射后，GCS-CG局部温度由29℃升高至55℃，光热处理后感染部位的抗菌效率高达100%（图36f）。

此外，细菌表面的特异性分泌蛋白用于靶向研究领域。例如，刘等人提出了一种使用透明质酸(HA)封装MoS2的酶响应纳米系统和负载抗坏血酸（AA）的钌（Ru）。通过使用AA@Ru@HA-MoS2的协同化学和光热效应来治疗细菌感染[296]。具有类过氧化物活性的环丙沙星包被的MoS2NPs靶向细菌并在感染区域有效积累。由细菌分泌的透明质酸酶分解包封物HA。当NP移动到受感染的站点时，HA被分解，AA被释放。吸附在细菌细胞上的MoS2直接催化AA产生•OH，而介孔RuNPs提供了近红外响应的光热效应。因此，它能够针对和消除金黄色葡萄球菌的感染和在PTT和PDT的协同作用下，铜绿假单胞菌的抑菌率分别为89.2%和81.9%。

图36。(a)GCS-CG的抗菌机制示意图。(b)GCS、CG和GCS-CG在pH6.3下的光吸收光谱。(c)不同浓度的GCS-CG水溶液在0.75Wcm2808nm激光照射一定时间下的光热转换特性。(d)GCS-CG表面电荷在不同环境pH值下的变化。(e)在pH6.3下与GCS-CG孵育前后细菌的Zeta电位。(f)与GCS-CG[295]孵育之前和之后的细菌(pH6.3和7.4)的代表性SEM显微照片。

此外，抗原抗体蛋白靶向细菌细胞膜表面[297]。胡等人设计了基于MoS2的多价糖片薄层，在光照射下靶向和治疗多个耐药(MDR)铜绿假单胞菌伤口（图37a）[298]。使用基于半乳糖和岩藻糖的配体在MoS2表面上形成致密的糖醇层，这有助于选择性捕获铜绿假单胞菌表面上的碳水化合物结合蛋白。在808nmNIR辐射下以1Wcm-2的功率密度激发后，甙片有效地产生原位热疗。热疗对于增加细菌膜的渗透性和降低细菌耐受性很重要。此外，在可见光照射下产生的ROS的协同作用下，细菌被彻底灭活（图37b、c）。

图37。(a)构建用于双光驱动治疗伤口的铜绿假单胞菌(P.aeruginosa)的抗菌糖片。(b)2DMoS2和Fuc片在白光(400–700nm;1Wcm-2)照射下的活性氧生产力，由荧光探针测量。（c）在没有和存在Fuc-sheet@CAZ的情况下铜绿假单胞菌的形态学分析，没有和有单次NIR照射（2小时）或双光照射（2小时）NIR，然后是1小时白光）。NIR和白光的波长分别为808nm(1Wcm-2)和400–700nm(1Wcm-2)[298]。

4.2.磁场协同

磁性材料在磁场作用下有效捕获细菌[299]。此外，外磁场下的负磁阻效应增加了载流子的迁移率，从而降低了载流子在界面复合的概率，提高了整个系统的光催化效率[300]。贾等人使用水热法合成CS功能化磁性氧化石墨烯作为多功能治疗剂（图38a）[301]。CS通过其表面带正电荷的官能团有效地接触和捕获细菌。GO因其光热特性而成为抗菌领域常用的PTA。氧化铁的超顺磁性使细菌在外磁场作用下易于分离和聚集，从而提高光热杀菌效率（图38b-d）。

结果，细菌被有效消灭，近红外光照射10分钟后细菌生物膜被破坏。此外，抗菌剂通过外部磁铁再生，并在随后的抗菌应用中重复使用[302].张等人还构建了多功能CS功能化磁性MoS2，以有效消除病原菌并治疗疾病感染[303]。吴等人提出由戊二醛和超顺磁性Fe2O3功能化的rGO，显示出优异的近红外光热转换效率[304]。在外磁场的作用下，细菌聚集在小范围内，热疗可以更好地清除聚集的细菌，提高杀灭效率[305]。

图38。(a)GO-IO-CS纳米复合材料的制备及其抗菌应用示意图。(b)用各种材料进行近红外照射10分钟后的温度变化。(c)GO-IO和GO-IO-CS纳米复合材料的室温磁化曲线。(d)用GO-IO-CS处理的相应细菌菌落，有和没有NIR[301]。

4.3.一氧化氮协同作用

一氧化氮(NO)是一种典型的亲脂性生物信号分子和广谱抗菌候选药物，与细菌类型无关[306]、[307]。它是一种具有强还原性的双原子自由基。反应后产生的副产物，如过氧亚硝酸盐，会引起细菌的应激反应并破坏其免疫系统，导致脂质过氧化、细胞膜破裂和DNA脱氨[308]。因此，NO气体疗法的协同作用有效地增强了2DNMs的抗菌作用[309]。

高等人开发了MoS2和热敏剂N,N'-二仲丁基-N,N'-二亚硝基-1,4-苯二胺(BNN6)的混合系统（图39a-c）[310]。MoS2具有较大的表面积和良好的近红外光热转换性能。BNN6表现出良好的光敏性并响应热释放NO。MoS2-BNN6受808nm激光辐射激发，在感染部位产生局部热疗，同时传递NO，通过PTT/NO协同作用诱导细菌的破坏（图39d-f）。此外，MoS2加速GSH的氧化，破坏细菌内氧化还原反应的平衡，从而增强系统的灭活作用。因此，在照射10分钟后，MoS2-BNN6达到了97.2%的有效抗菌效果（图39g）。

黄等人报道了一种基于近红外光热活性的水凝胶系统，该系统由甲基丙烯酸酯改性的明胶以HA接枝的多巴胺为载体并负载β-环糊精功能化的GO和NO供体BNN6制备[311].PTT和气体疗法之间的协同作用有望在避免耐药性的同时实现出色的抗菌效率。结果表明，该水凝胶具有较高的抗菌活性和力学性能，与组织具有良好的粘附性和生物相容性。

图39。(a)MoS2-BNN6作为NIR激光介导的NO释放纳米载体用于协同消除细菌的示意图。(b)MoS2、MoS2-α-CD在加载BNN6前后的UV-vis-NIR光谱。(c)808nm激光照射不同浓度MoS2-α-CD的光热效应。(d)MoS2-BNN6在808nm激光不同功率密度照射下的NO释放曲线。(e)直接加热和808nm激光照射对MoS2-BNN6释放NO的影响。(f)当MoS2时使用DCFH-DA测定法测量Ampr大肠杆菌中的ROS产生-BNN6暴露在808nm激光下。(g)AmprE.coli用(I)PBS、(II)MoS2-α-CD、(III)BNN6、(IV)MoS2-BNN6、(V)PBS+NIR处理形成的细菌菌落照片，(VI)MoS2-α-CD+NIR，(VII)BNN6+NIR和(VIII)MoS2-BNN6+NIR[310]。

4.4.给药协同

治疗效果和副作用之间的微妙平衡决定了抗生素的适用性。控释技术有望减少副作用并提高治疗效率[312]。随着纳米科学和纳米技术的发展，新的给药系统不断涌现。其中，2DNMs因其独特的满足纳米药物载体要求的特性而在药物递送领域备受关注[313]、[314]、[315].2DNM的多样性为各种纳米生物应用提供了丰富的选择。它们优异的物理和化学性质保证了纳米药物的高载药量和应用。此外，它们的制备工艺简单，有利于大批量生产。药物的释放速率受各种因素的影响，例如负载材料、温度、pH和分子间作用力[316]、[317]、[318]。

例如，黄等人将氧氟沙星抗生素与温和的PTT相结合以达到高抗菌效率[319]。MoS2纳米片被用作有效的近红外光热剂，带正电荷的季铵壳聚糖（QCS）被用来提高它们的分散稳定性并增强它们与细菌膜的相互作用（图40a，b）。将氧氟沙星抗生素加载到QCS-MoS2上通过π-π堆积和疏水相互作用，从而控制抗生素的释放。他们的结果表明，纳米片有效地粘附在细菌表面，在近红外光照射下，系统温度在5分钟内升至45℃。除了抗菌效果外，温和的光热有利于改变细菌膜的通透性，因此该系统在较低浓度的抗生素（8μg·mL-1）的负载下表现出优异的杀菌效果（82%）（图.40c-e).此外，氢键的形成对药物的缓慢释放起着重要作用[320]。

梁等人使用H2O2/辣根过氧化物酶系统制备一系列基于HA接枝多巴胺和rGO的抗菌水凝胶[321]。他们的研究结果表明，由于药物表面的氨基与水凝胶网络之间的氢键，大大延长了药物的缓释时间，药物通过扩散从水凝胶中释放出来。此外，在光热效应的协同作用下，水凝胶在体外和体内均表现出显着增强的抗菌行为。

由于细胞内外微环境的pH值不同，药物包封剂在不同pH环境下的溶解度也不同，导致释放速率不同。例如，马等人通过水热法制备聚乙二醇（PEG）修饰的MoS2，通过静电吸附负载庆大霉素（Gent），最后用CS包封得到CS/Gent/PEG/MoS2复合体系[322]。808nmNIR光（0.5Wcm2）连续照射25min后，CS/Gent/PEG/MoS2的释放速率由于CS在pH5.5下的加速溶液，在pH5.5时是pH7.4时的2.5倍，因此实现了可控的药物释放。此外，涂层产生的热疗不仅促进了系统药物Gent的释放，还增强了细菌的膜通透性。局部释放的Gent进入细菌内部并与核糖体结合以抑制蛋白质合成，从而破坏膜的完整性。细胞膜的破裂降低了细菌的新陈代谢，导致细胞质外排和细菌死亡。该系统对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别为99.93%和99.19%。

最后，温度是决定药物释放速率的一个因素。张等人报道了一种多酚辅助水剥离方法，用于将大块TMD剥离成单层或几层纳米片以加载抗生素青霉素(Pen)[323]。他们发现剥离材料的光吸收显着增强，表现出更高的光热转换性能（图40f）。由于细菌细胞粘附形成生物膜，它们不可逆地附着在材料或组织表面，并被自产的EPS进一步密封。一方面，EPS生物膜通过抑制扩散起到紧密屏障的作用，阻止抗生素的渗透，导致细菌对抗生素产生强烈的耐药性。另一方面，由于EPS的包裹，生物膜中部或底部的细菌生长缓慢或处于休眠状态，导致细菌对抗生素的敏感性急剧下降。因此，生物膜中的细菌细胞对抗生素的抵抗力是浮游细菌细胞的1000倍。然而，光热系统的高温不仅调节了药物的释放，而且影响了形成的生物膜的组织结构，

图40。(a)制备QCS-MoS2-OFLX和抗生素-光热协同治疗MRSA细菌的示意图。(b)氧氟沙星在QCS-MoS2上的负载能力作为最初添加的药物浓度的函数。(c)不同浓度QCS-MoS2的温度演化曲线。(d)在存在或不存在NIR照射的情况下与QCS-MoS2孵育后MRSA的形态变化。(e)MRSA悬浮液在与不同样品孵育后添加到TSA培养基中，有或没有NIR照射[319].经许可改编。版权所有2020，施普林格自然。(f)MOS2-Pen[323]的生物膜抗性机制示意图。

4.5.免疫疗法协同作用

免疫疗法是通过增强或抑制人体免疫功能的人工干预来治疗疾病[324]。也可与2DNMs结合，达到更好的抗菌治疗效果。李等人开发了一种光激发的羟基磷灰石(Hap)/N掺杂的CDs(NCDs)改性的GO异质结薄膜（图41a，b）[325]。在光照下，增强的光催化和光热效应显着抑制了细菌的代谢。近红外光照射15分钟后，复合膜对金黄色葡萄球菌的抗菌活性达到98.9%.这一结果的一个原因是呼吸链中细菌跨膜蛋白复合物的生物氧化还原电位在-4.1和-4.8eV之间，高于复合系统的CB。

结果，薄膜上的电子自发地转移到材料表面。转移的电子进一步抑制了细菌ATP合成过程，膜电位升高，导致呼吸链中断，膜结构破坏。光激发产生的ROS也大大降低了细菌的生化反应，抑制了金黄色葡萄球菌的ATP合成过程（图41c）。此外，辐照后系统与细胞膜之间的电子转移诱导钙离子（Ca2+）的流动，有利于组织细胞迁移和增殖，增强碱性磷酸酶，从而促进组织重建。Ca2+激活PLCγ1/ERK通路，通过增强CD31的表达促进血管损伤的修复。此外，PI3K/P-AKT通路的激活改善了CD4+/CD8+淋巴细胞的增加，有效减轻了炎症。

图41。(a)使用GO/NCD/Hap薄膜进行轻度光疗的机制，可以修复受损血管，同时缓解炎症反应，有望在不久的将来成为一种安全且无创的光疗。(b)GO/NCDs/Hap/Ti的结构示意图和结合力。(c)促进界面电子和空穴的分离，抑制和解离的PO43-的复合效率[325]。

5.其他抗菌策略

除了上述策略外，一些2DNMs由于其压电和介电特性，在其他外源刺激下也表现出良好的治疗效果。据报道，微波热疗和超声疗法以及其他技术的组合可有效增强2DNM的抗菌功效[326]。

5.1.微波辅助抗菌治疗

微波(MW)因其可穿透深层组织而有望用于治疗深部组织感染[327]。此外，微波照射可以产生微波热量来消灭细菌。在最近的研究中，一些2DNM被发现对微波有热响应，并在较低的功率密度下局部产生完美的热特性，从而产生显着的治疗效果，同时减少对组织损伤的副作用[328]。微波热疗在医疗中的应用引起了广泛关注。

王等人使用简单的自下而上水热法制备层状MoS2纳米层（图42a，b）[329]。涂层MoS2具有牛血清白蛋白（BSA-MoS2）的纳米材料在体外诱导了低生物毒性和敏锐的微波响应。样品浓度为30mg/mL，照射1min后温度达到42°C，然后在5min内升至53°C（图42c-e）。

微波加热效应是由于离子和偶极子。因此，由于生理盐水中含有大量的钠离子，BSA-MoS2分散在盐水中比在水性溶剂中表现出更好的MW加热效果。发热的主要机制是MoS2纳米片的结构和尺寸容易导致Na+的募集和富集。，导致表面上的离子浓度更高。在MW的照射下，聚集在层间的离子在振荡电场中排列整齐，由此产生的分子间摩擦和介电损耗产生热量，从而增强了热疗的效果。

图42。(a)BSA-MoS2纳米花作为MW热疗法纳米剂的合成过程示意图。(b)MoS2纳米花的结构示意图，以及溶液中偶极子或离子分布示意图。(c)生理盐水和BSA-MoS2纳米花在体外分散在盐溶液(30mgmL-1,1.8W,450MHz)中的红外热图像。(d)以不同功率（0.6W、1.2W和1.8W）分散在去离子水中的BSA-MoS2的MW加热。(e)分散在去离子水和盐水溶液中的BSA-MoS2的MW加热（30mgmL-1、1mL、1.8W、450MHz）[329]。

5.2.超声抗菌治疗

通过将压电效应与电化学过程相结合，压电材料在将机械能转化为化学能（即压电催化）方面具有广阔的应用前景[330]、[331]、[332]。2DNM，例如BP和过渡金属二卤化物化合物（即MoS2、WS2和WSe2）表现出这种性质[333]、[334]。超声机械能刺激2DNMs产生ROS，产生ROS的时间和位点可控。超声波传递到深部组织，因此该技术对深部组织感染具有积极作用。

例如，BP纳米片具有超声诱导ROS生成的特性[335]。当超声波在BP纳米片中引起机械应变时，发生压电极化，表面电子和空穴分离，进而导致压电场的形成。在超声波照射下，BP纳米片产生约0.1V的压电电位差，导致其能带倾斜。此时BP的CB为负，VB为正，均满足生成ROS的能带要求。

在另一项研究中，单层和多层MoS2纳米片显示在超声压电效应（机械振动）下产生压电极化，利用它们的非中心对称结构，然后诱导催化反应产生ROS以灭活细菌（图43a，b）[336]。在MoS2纳米片上负载AuNPs增加了ROS的产生和随后的细菌消毒。当暴露于超声波或可见光45分钟时，该复合材料消除了99.999%的大肠杆菌（图43c、d）。其潜在机制是在超声作用下，MoS2的压电极化产生的内部电场纳米片导致带隙弯曲（图43e、f）。此外，MoS2和Au紧密接触形成典型的肖特基界面，这导致电子容易向Au移动。因此，分离的电子和空穴与水和O2反应生成ROS，表明2DNM具有有效的抗菌活性。

图43。(a)用于水消毒应用的Au-MoS2纳米催化剂示意图。(b)合成的MoS2NSs悬浮液在不同水溶液中的吸收光谱。通过(c)•OH自由基的荧光和(d)超氧阴离子的吸光度表征不同样品条件下ROS的产生。(e)没有外力的MoS2示意图，以及电荷转移以补偿外力作用下活性边缘位置处压电极化产生的电场。(f)说明Au-MoS2@CFs中的压电催化反应以增强ROS生成和EHP分离[336]。

6.结论和前景

如本综述所示，2DNMs在抗菌领域的应用在过去十年中一直呈蓬勃发展趋势。由于其独特的二维结构和可调谐的能带，它们的潜在应用引起了广泛关注。2DNMs的抗菌和伤口愈合等生物学研究是当前的热门话题。本综述性研究追溯了最近在抗菌领域对2DNMs的研究，包括其固有的抗菌特性、光动力和光热抗菌特性、抗菌机制，以及用于改善其特性的方法。扩大了2DNMs在微波和超声刺激下的应用。我们预计，本次相关文献综述的结果将推动二维抗菌材料的开发走向更多的实际应用。为了更好地开发先进的二维抗菌剂，必须考虑以下紧迫问题：

1.2DNMs的厚度、横向尺寸和表面官能团等因素对固有的抗菌性能具有决定性影响，包括物理接触和氧化应激。然而，这些参数影响2DNM抗菌功效的机制仍存在争议。

2.内部物理相互作用对材料性能（如材料缺陷、晶格取向和尺寸）的影响仍未得到探索。此外，光激发后2DNMs的电子跃迁和热辐射的深层机制尚未得到充分探索。

3.2DNMs-细菌界面和对细菌的内部反应仍不清楚，需要进一步探索。因此，有必要在分子水平上探索纳米材料与微生物之间的相互作用，以了解其具体的抗菌机制。要开发综合治疗所需的抗菌药物，有必要了解2DNMs的物理性质、ROS和热量的产生及其对组织的影响。只有这样，我们才能清楚地了解2DNM的组成、结构和性质之间的关系，这对未来的药物开发具有重要意义。

4.2DNM的应用不容忽视。不同领域对2DNM有不同的要求和需求。在不同的外源刺激下，2DNMs有不同程度的反应。因此，要充分利用2DNM的性能，针对不同应用场景设计和开发纳米系统至关重要。例如，由于光线穿透性差，光线可以应用于浅表伤口愈合和牙科植入物。对于体内应用，需要更具穿透性的外源性手段，例如微波和超声波。这些领域需要更多的研究关注。

5.生物安全性是2DNM在临床抗菌应用中的先决条件。许多关于2DNMs的生物修饰的研究已经发表，并且已经进行了许多生物学实验。尽管2DNM在适当的功能化后具有出色的生物相容性和低毒性，但仍然缺乏有关它们的生物学信息。因此，应检查其安全性能。关于2DNMs的代谢，虽然以前的一些研究集中在通过表面功能化或通过设计超小2DNMs以更容易从体内去除来增强其生物降解性，但其生物毒性机制仍未探索。因此，解决这些未解决的生物安全问题并进行深入研究将有利于未来2DNM的临床前或临床抗菌应用，这一点至关重要。

综上所述，基于深入研究和更多功能需求的实现，2DNMs在文献中越来越受到关注。然而，我们距离更多的实际临床应用仅一步之遥，还有许多挑战需要解决。我们希望这篇关于生物材料领域2DNM文献的综述将有助于未来临床应用的新型纳米系统的设计和开发。